JP3218348B2 - プラズマアッシング方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体の基板に塗
布されたレジスト膜を、プラズマを利用してアッシング
（灰化）することにより除去するプラズマアッシング方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】微細な集積回路を加工するために、半導
体の基板の表面に回路パターンを形成したレジスト膜を
設け、該レジスト膜を介してその下層の絶縁膜、半導体
膜或いは金属膜をエッチングすることが行われている。

【０００３】該レジスト膜は、エッチング処理が終了し
たのち基板表面から除去されるが、その除去方法には過
酸化水素、有機溶剤などの化学薬品を使用する湿式処理
方法と、酸素プラズマを主とする反応性ガスのプラズマ
を用いてレジスト膜をアッシング（灰化）する乾式処理
方法とがある。

【０００４】該湿式処理方法に使用される薬品には人体
に有害なものが多く、除去作業の安全性の維持や廃液の
公害防止に注意を払う必要があって煩わしい。しかも使
用される薬品は多少は不純物を含むので、これが半導体
回路のパターンの欠損や汚染の原因となり、超ＬＳＩの
微細な加工には適しない。

【０００５】これに対し乾式処理方法は、基板に塗布さ
れたＣ_XＨ_YＮ_Zのレジスト膜に、反応性ガスのプラズマ
中に生じたラジカル、主として酸素ラジカルを反応さ
せ、該レジスト膜をＣＯ₂及びＨ₂Ｏへ分解・気化するこ
とによって除去するので、湿式処理方法のような人体へ
の有害物の発生がなく、不純物を含まないので基板の微
細加工に適している。

【０００６】該乾式処理方法に使用される装置の概略は
図１の如くであり、レジスト膜が塗布された基板(1)
を、放電管で構成した反応性ガスの導入口(2)と真空排
気口(3)を備えた真空処理室(4)内の加熱手段(5)の上方
に置き、該導入口(2)に接続した反応性ガス源(6)から導
入される酸素ガス或いはこれに少量ＣＦ₄、Ｎ₂、もしく
はＨ₂を混入した反応性ガスを、マイクロ波電源(7)に接
続したプラズマ発生部(8)からなるプラズマ発生装置(9)
によりプラズマ化し、酸素ラジカルその他の反応性ガス
のラジカルを加熱された基板(1)上のレジスト膜と反応
させ、該レジスト膜を分解・気化して該真空排気口(3)
から真空ポンプ(11)により排出することにより除去す
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前記図１の装置は 反
応ガスが真空処理室の上方から基板の表面を沿って流
れ、該真空処理室の下方に設けた真空排気口から排出さ
れるのでダウンストリーム型アッシング装置と称され、
この装置は荷電粒子が基板に衝突することがなく、基板
に形成された回路パターンを損傷することがない点で有
利である。しかし乍ら、近時は、基板に塗布されたレジ
スト膜をマスクとして利用し、該基板の表面に局部的に
不純物をイオン注入することが回路の微細化に伴い頻繁
に行われるようになってきており、この場合、図２に見
られるように、マスクとして利用したレジスト膜(10)は
イオンビームの照射を受けてその表層部分(10a)が硬化
変質し、該レジスト膜(10)をアッシングして除去するこ
とが困難になる欠点がある。

【０００８】本発明は、表層の硬化変質したレジスト膜
をアッシングにより除去する方法を提供することを第１
の目的とし、その第２の目的は基板にダメージを与える
ことなくレジスト膜をアッシングにより除去することに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明では、真空処理室
内にレジスト膜が塗布された基板を設け、該真空処理室
に、真空排気口と、該基板を加熱する加熱手段及びプラ
ズマ発生装置を備えた反応性ガスの導入口とを設け、該
基板のレジスト膜を該プラズマによりアッシングして除
去する方法に於いて、該基板をピンで持ち上げ、該基板
の前面にプラズマが発生し得る間隔を存して対向した前
方電極を設けると共に該基板の背面にプラズマが発生し
ない狭い間隔を存して対向する後方電極を設け、両電極
の一方を高周波電源に接続すると共に他方をアースに接
続してレジスト膜の表層をエッチングする工程を終えた
のち、両電極をアースに接続すると共にプラズマ発生装
置を作動させて該反応性ガスのプラズマにより基板上の
レジスト膜をアッシングすることにより、上記の目的を
達成するようにした。該前方電極を高周波電源に接続す
ると共に該後方電極をアースに接続してレジスト膜の表
層をエッチングする工程を終えたのち、両電極をアース
に接続すると共にプラズマ発生装置を作動させて該反応
性ガスのプラズマにより基板上のレジスト膜をアッシン
グすることにより、基板にダメージを与えずにアッシン
グできる。該基板の前面に対向して設けられる前方電極
を多数の透孔を有する平板状の電極で構成することによ
り、該透孔を介して前記導入口から導入される反応性ガ
スの活性なラジカルが基板表面へ均一に到達し得、レジ
スト膜が均一にアッシングを受けて除去される。また該
基板とその背後の後方電極との間隔は、プラズマが発生
しない例えば１ｍｍの狭い間隔に設定される。

【００１０】

【作用】基板の表面に塗布されたレジスト膜の表層がイ
オンビームの照射を受けて硬化変質している場合、該基
板を真空処理室内に置き、導入口から排気口へと反応性
ガスを流し、該基板の背面に対向した後方電極に高周波
電源を接続し、該基板の前面の前方電極をアースする。
基板と後方電極の間隔はその間にプラズマが発生しない
程狭く設定されているので、基板はほぼ後方電極と同電
位になり、しかも高周波電源からの高い高周波電位が加
わって負電位となるので、該基板とアース電位の前方電
極との間でプラズマ放電が発生する。該プラズマ中のイ
オンは基板の電位に引かれて移動し、該基板の前面に衝
突する。該基板の表面に塗布されたレジスト膜はイオン
の衝突によりスパッタされ、該レジスト膜の硬化変質し
た表層の部分を物理的に剥離除去することができる。

【００１１】該表層の硬化変質した部分の除去が終わる
と、加熱手段により基板を加熱し、後方電極の接続を高
周波電源からアースに切換えると共にプラズマ発生装置
を作動させる。これによって導入口から真空処理室へ導
入される反応性ガスがプラズマで励起され、発生する反
応性ガスのラジカルが基板に残るレジスト膜と化学反応
し、該残りのレジスト膜はアッシングされて基板面から
高速で除去され、その分解・気化成分が排気口から排除
される。

【００１２】該基板の表面のダメージが心配される場
合、高周波電源を前方電極に接続し、後方電極をアース
する。この場合、該前方電極が負電位となり、基板はア
ース電位となるので、その間に発生するプラズマ中のイ
オンは基板の表面にダメージを与えぬように緩く衝突
し、基板のレジスト膜は緩くスパッタされる。該レジス
ト膜の表面の硬化変質した部分がスパッタにより剥離し
終わると、基板を加熱手段により加熱し、前方電極の接
続を高周波電源からアースに切換ると共にプラズマ発生
装置を作動させ、真空処理室に導入される反応性ガスの
ラジカルにより残りのレジスト膜を高速でアッシングし
て除去する。

【００１３】反応性ガスのラジカルは前方電極の透孔を
介して基板の前面へと流れ、レジスト膜全体を均一にア
ッシングする。

【００１４】該後方電極と基板の背面との狭い間隔はそ
の間でプラズマが発生しないような例えば１ｍｍの間隔
で設定される。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の実施例を図３に基づき説
明する。同図に於いて、符号(1)乃至(9)及び(11)は図１
の同一符号で示したものと同一のものを指称し、基板
(1)の表面には、図１の場合と同様にレジスト膜(10)が
塗布され、イオンビームの照射を受けて該レジスト膜(1
0)の表層(10a)に硬化変質した層が形成されていること
も図１の場合と同様である。

【００１６】図３に示す本発明の実施例は、図１の構成
に加え、基板(1)の前面にプラズマが発生し得る間隔(1
4)を存して対向した前方電極(13)を設けると共に該基板
(1)の背面にプラズマが発生しない狭い間隔(15)を存し
て対向した後方電極(16)を設け、これらの電極(13)(16)
を２００Ｗ、13.56MHzの高周波電源(17)とアース(18)と
に選択的に接続するように構成される。両電極(13)(16)
は例えば２０ｍｍの間隔で設けられ、真空処理室(4)内
は例えば数Torr乃至１０^-2Torrに調節される。

【００１７】この場合、該前方電極(13)は図４に見られ
るように、多数の透孔(19)を開口形成した平板状電極で
構成され、各透孔(19)のうち中央部のものを直径２８ｍ
ｍの大径の透孔(19a)に形成し、残りのものを直径１ｍ
ｍの小径の透孔(19b)に形成した。該小径の透孔(19b)は
１ｍｍの間隔を存して約１０００個形成した。また該狭
い間隔(15)、例えば１ｍｍの間隔を保持するために、後
方電極(16)を挿通して前方へ１ｍｍ突出した状態で停止
出来る図５のようなピン(20)を複数本設け、該ピン(20)
の上に基板(1)を載せるようにした。

【００１８】ガス源(6)から真空処理室(4)内に送られる
反応性ガスは、酸素ガス、Ｎ₂ガス、ＣＦ₄ガス、Ｈ₂ガ
ス、或いは酸素ガスに少量のＣＦ₄、Ｎ₂、もしくはＨ₂
を混入したもの、或いはＮ₂ガスとＨ₂ガスの混合ガスが
使用される。

【００１９】図３の装置により硬化変質した表層(10a)
を有するレジスト膜(10)をアッシングにより基板(1)か
ら除去する場合の作動を説明すると次の通りである。

【００２０】該基板(1)の表面のダメージが余り問題に
ならないときは、真空処理室(4)内を例えば１０^-1Torr
とし、ガス源(6)から排気口(3)へ反応性ガスを例えば５
０００SCCMの割合で流し、前方電極(13)をアース(18)に
接続すると共に後方電極(16)を高周波電源(17)に接続す
る。該基板(1)は後方電極(16)との間隔(15)が狭いので
後方電極(16)と同電位の負電位となり、前方電極(13)と
の間隔(14)に反応性ガスのプラズマが発生し、該プラズ
マ中のイオンが基板(1)の表面のレジスト膜(10)をエッ
チングする。該レジスト膜(10)の硬化変質した表層(10
a)がエッチングにより剥離され終わると、基板(1)を加
熱手段(5)により例えば２００℃に加熱し、後方電極(1
6)をアース(18)に接続すると共にプラズマ発生装置(9)
のマイクロ波電源(7)を入れてプラズマ発生部(8)に反応
性ガスのプラズマを発生させる。これによって発生した
該反応性ガスのラジカル主として酸素ラジカルが、基板
(1)上に残るレジスト膜(10)と化学反応し、該レジスト
膜(10)はアッシングされて基板(1)から急速に除去され
る。

【００２１】該基板(1)がダメージを受け易いものであ
る場合、スイッチ(55)を切換えて前方電極(13)を高周波
電源(17)に接続し、後方電極(16)をアース(18)に接続す
る。これによって間隔(14)に反応性ガスのプラズマが発
生するが、そのプラズマ中のイオンは前方電極(13)が負
電位であるために、ほぼアース電位の基板(1)にはイオ
ンが強い衝撃で突入することがなく、緩く衝突するので
基板(1)にダメージを与えずにソフトにレジスト膜(10)
をエッチング出来る。このエッチングでレジスト膜(10)
の硬化変質した表層(10a)が剥離され終わると、前方電
極(13)をアース(18)に接続し、基板(1)を加熱し、プラ
ズマ発生装置(9)を作動させ、基板(1)に残るレジスト膜
(10)がアッシングにより急速に除去される。

【００２２】レジスト膜(10)は基板(1)の前面に塗布さ
れるが、実際には図６のように多少基板(1)の背面にも
まわり込んで付着することが多く、この背面のレジスト
膜の除去は従来のアッシング装置では困難であったが、
該基板(1)と狭い間隔(15)存して後方電極(16)を設ける
ことにより、酸素ラジカル等の反応性ラジカルが該間隔
(15)に進入し、該背面のレジスト膜をアッシングにより
除去することが出来る。

【００２３】本発明の更に具体的な実施例を、図７乃至
図９に基づき説明すると、これらの図面に於いて符号(4
7)は枠状の機体を示し、該機体(47)の上方に真空処理室
(4)が取り付けられる。該真空処理室(4)の側方にはプラ
ズマ発生装置(9)が設けられ、該プラズマ発生装置(9)の
内部を通って該真空処理室(4)内へと反応性ガス源(6)か
ら連通する反応性ガス導入管(41)の導入口(2)が設けら
れる。更に、該真空処理室(4)の側方でプラズマ発生装
置(9)から約９０°旋回した位置に、バルブ(48)を介し
て該真空処理室(4)内へ基板(1)を搬出入するトランスフ
ァー室(49)が設けられ、該トランスファー室(49)には更
にカセット室(21)が連続して設けられる。該カセット室
(21)内にはその外部から導入した２組の昇降杆(22)によ
り夫々個別に昇降される２台のテーブルが設けられ、各
テーブル上に側方から出し入れ自在に複数枚の基板を収
容する図１０のような棚状のカセットケース(23a)(23b)
が載せられる。

【００２４】一方のカセットケース(23a)にはアッシン
グされる基板が収められ、該基板はテーブルの下降と該
トランスファー室(49)内に設けた例えば図１１のような
フロッグアーム状の搬送装置(24)によって、該カセット
ケース(23a)の下段のものから該搬送装置(24)の旋回と
伸縮でバルブ(48)を介して真空処理室(4)内の定位置に
送られる。真空処理室(4)内に於いて、該基板にアッシ
ング処理を施す間、該バルブ(49)は閉じられ、搬送装置
(24)はトランスファー室(49)内で待機する。アッシング
処理が終わると、再び搬送装置(24)が開かれたバルブ(1
9)を介して真空処理室(4)内へ進出し、アッシング処理
された基板を載せてトランスファー室(49)内へ戻り、該
搬送装置(24)上の基板は他のカセットケース(23b)内へ
該搬送装置(24)の伸長により運び込まれ、該カセットケ
ース(23b)の上昇により所定の位置に収容される。処理
済みの基板が他のカセットケース(23b)に収められる
と、もう一方のカセットケース(23a)から次の基板を真
空処理室(4)へと運び出すことを繰り返して順次に基板
のアッシング処理が行われる。

【００２５】該真空処理室(4)の下方にスロットルバル
ブ(25)を備えた真空排気管(50)が接続され、該真空処理
室(4)内を真空ポンプ(11)で真空に排気するが、該真空
排気管(50)の途中を分岐してカセット室(21)に接続し、
該カセット室(21)内も真空に排気されるようにした。

【００２６】図７及び図８に於いて、符号(26)はマイク
ロ波発振装置を示し、これにより発生したマイクロ波が
導波管(27)を介してプラズマ発生装置(9)に導入され
る。

【００２７】該プラズマ発生装置(9)の詳細は、図１２
及び図１３の如くであり、反応性ガス源(6)に連なる反
応性ガス導入管(41)の中間部の石英チューブ(41a)と交
叉するように前記導波管(27)が設けられ、該交叉部に於
いて反応性ガスがマイクロ波により励起されてプラズマ
を発生し、励起された反応性元素のラジカルが真空処理
室(4)に送り込まれる。該プラズマ発生装置(9)のケーシ
ング(9a)には、冷却水が循環する通路(28)が設けられて
プラズマ放電によるケーシングの高温化を防止するよう
にした。該ケーシング(9a)の石英製チューブ(41a)の端
部と対向する位置に、石英窓(29)を介して水銀ランプ(3
0)を設け、プラズマ放電の開始時に該水銀ランプ(30)を
点灯して石英製チューブ(41a)内の反応性ガスの光イオ
ン化を行い、マイクロ波放電の開始を迅速に行えるよう
にした。またマイクロ波の導波管(27)内の端部に、該ケ
ーシング(9a)を介して外部へ延びる調節ねじ(31)の旋回
により進退するスライドブロック(32)を設け、その進退
によりプラズマ放電のマッチングを行うようにした。

【００２８】真空処理室(4)内の詳細は、図１４に示す
如くであり、上下方向の円筒形の空室で形成され、その
側部上方に、基板(1)をトランスファー室(49)との間で
出し入れするための開口(33)と、該開口(33)から９０°
旋回した位置に反応性ガス導入管(41)の端部とが開口形
成される。そして、該真空処理室(4)の開口(33)よりも
少し下方に、複数本のポリテトラフルオロエチレン製の
絶縁材のサポート(34)により該真空処理室(4)の底面に
支えられた円形状の凹部(35a)を有するAl₂O₃製のホルダ
(35)を設け、該凹部(35a)内に円板状のシーズ型ヒータ
からなる加熱手段(5)を収めるようにした。該加熱手段
(5)の上面はAl₂O₃製の絶縁板(36)で覆われ、該加熱手段
(5)の上面の周縁はSiO₂製のリング(37)で覆われるよう
にした。また円板状の加熱手段(5)及びホルダ(35)にこ
れらを上下に挿通する透孔(38)を１２０°の間隔を存し
て３個設け、該ホルダ(35)の背後から昇降装置(39)によ
り上下に移動する３本の石英製のピン(40)が前記各透孔
(38)に夫々挿通される。そして真空処理室(4)内へ開口
(33)を介して搬送装置(24)によって基板(1)が搬入され
ると、加熱手段(5)を挿通して上昇する各ピン(40)で該
搬送装置(24)から持ち上げるようにして支え、該搬送装
置(24)が該開口(33)から退去したのち各ピン(40)が降下
して加熱手段(5)の上面から１〜２ｍｍの上方に基板(1)
を位置させ、該基板(1)のレジスト膜のエッチング、ア
ッシング及びアッシングのための加熱が行われる。該基
板(1)のアッシングが終わると、各ピン(40)により再び
加熱手段(5)の上方へ基板(1)が持ち上げられ、該加熱手
段(5)と基板(1)との間に搬送装置(24)が進入すると、各
ピン(40)が降下し、その降下途中に於いて基板(1)は搬
送装置(24)に保持され、真空処理室(4)の開口(33)から
運び出される。

【００２９】該昇降装置(39)は、真空処理室(4)の底面
からその外部へとシール装置(59)を介して延びる昇降杆
(39a)と、該昇降杆(39a)の上端に取り付けられた昇降プ
レート(39b)と、該昇降杆(39b)の下端に取り付けられた
連結プレート(39c)、及び該連結プレート(39c)に螺合す
るねじ軸(39d)を備えており、該真空処理室(4)の外部の
固定のプレート(42)に取り付けたシンクロナスモータ(4
3)の回転がその出力軸(44)及びアイドル歯車(45)を介し
てプレート(42)に支承されたねじ軸(39d)と一体の歯車
(39e)に伝達されると、該ねじ軸(39d)が回転し、連結プ
レート(39c)及び昇降杆(39a)を上昇或いは下降させ、こ
れに伴って昇降プレート(39c)がピン(40)と共に昇降す
る。該ピン(40)はその根部を昇降プレート(39c)の穴(39
f)に挿通させ、ばね(39g)により固定した。

【００３０】真空処理室(4)内の開口(33)とガス導入管
(41)の導入口(2)との間に位置して、内方に突出する段
部(46)が設けられ、該段部(46)に、中央部に大径の透孔
(19a)を有し且つその周囲に小径の透孔(19b)を有する円
形平板の前方電極(13)を絶縁材(52)を介して載せ、該真
空処理室(4)内が該前方電極(13)により２室(53)(54)に
区画されるようにした。該前方電極(13)は真空処理室
(4)の外部のスイッチ(55)を介して高周波電源(17)或い
はアース(18)に選択的に接続される。

【００３１】また、加熱手段(5)には、真空処理室(4)の
外部の電源からの配線(56)(57)が接続され、その通電に
より該加熱手段(5)が基板(1)の加熱のために発熱する
が、該加熱手段(5)に、これを支える１本のサポート(3
4)内を挿通して真空処理室(4)の外部から導電軸(58)を
導入接続し、該導電軸(58)をスイッチ(55)を介して高周
波電源(17)或いはアース(18)に選択的に接続することに
より該加熱手段(5)が後方電極(16)として作用するよう
にした。

【００３２】

【発明の効果】以上のように、本発明によるときは、ア
ッシングされる基板の前面に、プラズマ発生可能な間隔
を存して前方電極を設けると共に該基板の背面にプラズ
マが発生しない狭い間隔を存して後方電極を設け、両電
極の一方を高周波電源に接続すると共に他方をアースに
接続してレジスト膜の表層をエッチングする工程を終え
たのち、両電極をアースに接続すると共にプラズマ発生
装置を作動させて該反応性ガスのプラズマにより基板上
のレジスト膜をアッシングするので、基板上の硬化変質
した表層を有するレジスト膜をきれいに除去することが
でき、前方電極を高周波電源に接続すると共に上記後方
電極をアースに接続してレジスト膜の表層をエッチング
することにより、基板のダメージを防ぎ乍らアッシング
を行える等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のアッシング装置の断面線図

【図２】基板に塗布されたレジスト膜の拡大断面図

【図３】本発明の実施例の断面線図

【図４】図３の前方電極の拡大平面図

【図５】図３の基板の保持状態を示す斜視図

【図６】基板全体のレジスト膜の塗布状態を示す拡大断
面図

【図７】本発明の装置の一部を截断した具体的側面図

【図８】図７のVIII−VIII線に沿った截断側面図

【図９】第７図のIX−IX線に沿った截断平面図

【図１０】カセットケースの斜視図

【図１１】搬送装置の要部の拡大平面図

【図１２】プラズマ発生装置の拡大截断側面図

【図１３】図１２の右側面図

【図１４】真空処理室の拡大截断側面図

【符号の説明】

(1)…基板、(2)…反応性ガスの導入口、(3)…排気口、
(4)…真空処理室、(5)…加熱手段、(9)…プラズマ発生
装置、(10)…レジスト膜、(10a)…硬化変質した表層、
(13)…前方電極、(14)…間隔、(15)…狭い間隔、(16)…
後方電極、(17)…高周波電源、(18)…アース、(19)…透
孔、

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−202521（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−114210（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−136573（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−224232（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−292920（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065 H01L 21/027

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空処理室内にレジスト膜が塗布された基
   板を設け、該真空処理室に、真空排気口と、該基板を加
   熱する加熱手段及びプラズマ発生装置を備えた反応性ガ
   スの導入口とを設け、該基板のレジスト膜を該プラズマ
   によりアッシングして除去する方法に於いて、該基板を
   ピンで持ち上げ、該基板の前面にプラズマが発生し得る
   間隔を存して対向した前方電極を設けると共に該基板の
   背面にプラズマが発生しない狭い間隔を存して対向する
   後方電極を設け、両電極の一方を高周波電源に接続する
   と共に他方をアースに接続してレジスト膜の表層をエッ
   チングする工程を終えたのち、両電極をアースに接続す
   ると共にプラズマ発生装置を作動させて該反応性ガスの
   プラズマにより基板上のレジスト膜をアッシングするこ
   とを特徴とするプラズマアッシング方法。
2. 【請求項２】上記前方電極を高周波電源に接続すると共
   に上記後方電極をアースに接続してレジスト膜をエッチ
   ングする工程を終えたのち、両電極をアースに接続する
   と共にプラズマ発生装置を作動させて該反応性ガスのプ
   ラズマにより基板上のレジスト膜をアッシングすること
   を特徴とする請求項１に記載のプラズマアッシング方
   法。
3. 【請求項３】上記基板の前面に対向して設けた前方電極
   を多数の透孔を有する平板で構成したことを特徴とする
   請求項１に記載のプラズマアッシング方法。